La divisione cellulare e la riproduzione degli organismi

La divisione cellulare

Sadava et al. Biologia.blu @ Zanichelli editore 2011 Processo grazie al quale la cellula si divide dando origine a due cellule figlie geneticamente identiche e identiche alla cellula madre.

Ruolo biologico della divisione cellulare

Negli organismi unicellulari, procarioti o eucarioti, la divisione cellulare coincide con la riproduzione dell'intero organismo. Negli organismi pluricellulari la divisione della singola cellula non coincide con la riproduzione dell'intero organismo, ma permette all'organismo di:

• accrescersi
• sostituire le cellule morte o danneggiate
• riprodursi (ad es. consente la produzione dei gameti).

La divisione cellulare

Affinché una cellula possa dividersi sono necessari quattro eventi:

• la cellula si divide in risposta ad un segnale riproduttivo proveniente dall'ambiente esterno (organismi unicellulari) o dall'organismo (organismi pluricellulari);
• la cellula duplica il proprio patrimonio genetico (il DNA);
• la cellula ripartisce equamente il materiale genetico (segregazione del DNA);
• la cellula divide il proprio citoplasma e gli organuli (citodieresi).

Gli organismi procarioti

Divisione cellulare e riproduzione

Gli organismi procarioti si riproducono per scissione binaria. Ciascuna cellula contiene un cromosoma completo, identificabile al centro della cellula. La membrana plasmatica si è completamente riformata, separando così il citoplasma di una cellula da quello dell'altra. Soltanto un piccolo tratto di membrana rimane ancora da completare. Sadava et al. Biologia.blu @ Zanichelli editore 2011

La scissione binaria

Membrana plasmatica orf 1. La replicazione del DNA inizia nel punto di origine della replicazione, chiamato ori. Cromosoma 2. Il DNA cromosomico si replica e la cellula si accresce. 3. Il DNA replicato figlio si separa sotto il controllo della regione comprendente il sito ord. La cellula inizia a dividersi. Nei batteri la divisione cellulare avviene per scissione binaria. La cellula cresce, replica il proprio DNA e poi si divide in due cellule figlie identiche dal punto di vista genetico. 4. La citodieresi è completa; si sono formate due nuove cellule. ZANICHELLI Sadava et al, La nuova biologia.blu - @ Zanichelli 2020

La cellula eucariote

Il ciclo cellulare

La divisione del nucleo avviene durante la mitosi. La citodieresi, ovvero la divisione del citoplasma, ha luogo al termine della fase M. Fase M Mitosi Citodieresi G2 G1 Sintesi del DNA (S) Interfase Il DNA si replica durante la fase S. Le cellule che non si dividono in genere si arrestano nella sottofase G1, entrando in una fase di riposo detta GO. Si definisce ciclo cellulare il ciclo vitale di una cellula; è l'insieme degli eventi compresi tra la nascita di una cellula e la sua divisione (oppure la sua morte). Il ciclo cellulare è suddiviso in due fasi:

• l'interfase è l'insieme degli eventi compresi tra due divisioni cellulari successive; comprende le sottofasi G1, S, G2
• la fase mitotica (fase M) è la fase di divisione della cellula e comprende la mitosi e la citodieresi. 7 Sadava et al, La nuova biologia.blu - @ Zanichelli 2020

L'interfase

L'interfase è il periodo di tempo che intercorre tra due divisioni cellulari successive. Comprende tre sottofasi:

• sottofase G1 la cellula si accresce (intensa attività metabolica), svolge le proprie funzioni e si prepara alla duplicazione del DNA;
• sottofase S la cellula duplica il proprio DNA;
• sottofase G2 la cellula si prepara alla mitosi.

La divisione cellulare

La divisione cellulare segue l'interfase e comprende due sottofasi:

• la mitosi segregazione del DNA e divisione del nucleo in due nuclei «figli» geneticamente identici e identici al nucleo iniziale;
• la citodieresi divisione del citoplasma e degli organuli e formazione di due cellule distinte.

La Mitosi

Durante la mitosi il nucleo della cellula in divisione dà origine a due nuclei figli geneticamente identici e identici al nucleo iniziale. Grazie alla mitosi ogni cellula figlia riceve un corredo genetico identico a quello della cellula madre. La mitosi può essere suddivisa in 5 sottofasi:

• profase
• prometafase
• metafase
• anafase
• telofase

Mitosi: la profase

La cromatina si avvolge diventando progressivamente più compatta e si condensa formando i cromosomi (spiralizzazione del DNA). Fuso in formazione Cromatidi del cromosoma Il nucleolo scompare. L'involucro nucleare inizia a frammentarsi. Inizia a formarsi il fuso mitotico. Sadava et al. Biologia.blu @ Zanichelli editore 2011

La spiralizzazione del DNA

Doppia elica del DNA 2 nm Core di otto molecole istoniche Queste estroflessioni a «coda» emanano dagli istoni e permettono la loro interazione con altre molecole presenti nel nucleo. I nucleosomi rappresentano le «perle» sul filamento di DNA. Istone H1 DNA di collegamento Nucleosoma Il DNA si avvolge attorno agli istoni, formando una lunga serie di nucleosomi. I nucleosomi si compattano formando avvolgimenti sempre più ampi, che progressivamente si organizzano a dare le fibre superavvolte della cromatina. 30 nm 300 nm Le fibre si ripiegano con andamento a spirale. 700 nm Le anse della spirale si compattano ulteriormente formando un cromosoma. + 1400 nm Cromosomi metafasici Il processo di avvolgimento del DNA viene chiamato spiralizzazione e porta alla condensazione della cromatina nei cromosomi. Durante l'interfase il DNA, associato a specifiche proteine chiamate istoni, non è spiralizzato e si trova nel nucleo sotto forma di cromatina; alla fine della sottofase S è duplicato e all'inizio della fase M si condensa a formare i cromosomi, ciascuno composto da due cromatidi fratelli, uniti a livello del centromero. Sadava et al. Biologia.blu @ Zanichelli editore 2011

La struttura dei cromosomi

Ogni cromosoma è formato da due molecole identiche di DNA, altamente spiralizzate, chiamate cromatidi fratelli, unite in una regione chiamata centromero. Cromatidio Cromatidio Centromero Le fibre di cromatina sono formate da DNA e proteine. Fibre del cinetocore (microtubuli) Cinetocore Cromatidi Il centromero è visibile come un restringimento centrale. Cromosoma Cromatidio Cromosoma Sadava et al. Biologia.blu @ Zanichelli editore 2011

Il fuso mitotico

E una struttura, formata da microtubuli, che dirige il movimento dei cromosomi. Si forma grazie ai centrosomi, formati da due centrioli. (B) Microtubuli del cinetocore Cinetocore I microtubuli del cinetocore si attaccano ai cinetocori e ai poli del fuso mitotico. Cinetocore Microtubulo del cinetocore Centro mitotico (centrosoma) Centrioló Microtubulo polare I microtubuli polari si estendono da un polo all'altro del fuso. ZANICHELLI Sadava et al. Biologia.blu @ Zanichelli editore 2011

Mitosi: la prometafase

Involucro nucleare Microtubuli del cinetocore Cinetocore Sadava et al. Biologia.blu @ Zanichelli editore 2011 L'involucro nucleare scompare. Si completa la formazione del fuso mitotico. I cromatidi di ciascun cromosoma si attaccano, mediante il cinetocore, ai microtubuli del fuso mitotico. I cromosomi iniziano a spostarsi verso il piano equatoriale della cellula.

Mitosi: la metafase

Piastra equatoriale (metafase) I cromosomi si dispongono lungo il piano equatoriale della cellula. I centromeri dei cromosomi sono allineati al centro della cellula lungo la piastra metafasica (piastra equatoriale). È il momento migliore per osservare al microscopio ottico forma e dimensione dei cromosomi. Sadava et al. Biologia.blu @ Zanichelli editore 2011

Mitosi: l'anafase

Cromosomi figli S Sadava et al. Biologia.blu @ Zanichelli editore 2011 I centromeri duplicano. I cromatidi fratelli che costituiscono ciascun cromosoma si separano in due cromosomi figli che si spostano verso i poli opposti della cellula. Grazie a questo meccanismo, ogni cellula figlia riceve un corredo genetico identico a quello della cellula madre. ZANICHELLI

Mitosi: la telofase

Sadava et al. Biologia.blu @ Zanichelli editore 2011 I cromosomi si despiralizzano e si riforma la cromatina. Si riformano la membrana nucleare e il nucleolo. Il fuso mitotico scompare. Si formano due nuovi nuclei cellulari identici tra loro, che contengono lo stesso corredo genetico del nucleo che li ha generati.

La citodieresi

Conclusa la divisione del nucleo inizia quella del citoplasma che è diversa nelle cellule animali (A) e in quelle vegetali (B): A. nelle cellule animali avviene per «strozzatura» della membrana plasmatica grazie ad un anello contrattile formato da actina e miosina; B. nelle cellule vegetali avviene per deposizione di vescicole provenienti dall'apparato di Golgi, il cui contenuto formerà la nuova parete cellulare. (A) (B) Piastra cellulare 00 Anello contrattile Sadava et al. Biologia.blu @ Zanichelli editore 2011

Gli eventi del ciclo cellulare

Fase Eventi Mitosi Interfase Profase I cromosomi si condensano; il fuso si assembla. G1 La cellula si accresce. S Il DNA si duplica. Prometafase La membrana nucleare si dissolve; i cromosomi si attaccano al fuso G2 Inizia la sintesi del fuso; la cellula si prepara alla mitosi. Metafase I cromosomi si allineano sulla piastra equatoriale. Anafase I cromatidi si separano e migrano ai poli della cellula. Telofase I cromosomi si despiralizzano; si riforma la membrana nucleare. Citodieresi Le due cellule figlie si separano; si riformano la membrana plasmatica e la parete cellulare (nelle cellule vegetali). Sadava et al. La nuova biologia.blu PLUS @ Zanichelli 2016 ZANICHELLI

Mitosi e riproduzione asessuata

La divisione mitotica del nucleo è alla base, negli organismi eucariotici, della riproduzione asessuata. La riproduzione asessuata negli eucarioti può interessare organismi unicellulari (es. lievito) o pluricellulari (es. cactus). Cactus Lievito Sadava et al. La nuova biologia.blu PLUS @ Zanichelli 2016 In entrambe i casi la prole è costituita da un clone dell'organismo di partenza (i figli sono geneticamente identici al genitore).

Caratteristiche della riproduzione asessuata

La riproduzione asessuata è tipica degli organismi unicellulari, sia procariotici che eucariotici, è rara nei pluricellulari (alcuni invertebrati e piante). La riproduzione asessuata ha le seguenti caratteristiche: il nuovo organismo si origina da un solo genitore

• il nuovo organismo si origina attraverso una (unicellulari) o più (pluricellulari) divisioni cellulari:
  • scissione binaria nei procarioti
  • mitosi + citodieresi negli eucarioti

il nuovo organismo è geneticamente identico al genitore.